Способ определения скорости течения
Владельцы патента RU 2369875:
Морской гидрофизический институт Национальной академии наук Украины (МГИ НАН Украины) (UA)
Изобретение относится к способам определения скорости течения и может быть использовано в гидрологии. Сущность: для реализации способа используют термоанемометр, состоящий из двух датчиков температуры с одинаковыми конструктивными размерами и разными параметрами термической инерции. Причем выбирают термоанемометр со сферической диаграммой направленности или с другой известной диаграммой направленности, симметричной в вертикальной плоскости. Также для реализации способа необходим измеритель скорости собственных движений термоанемометра. При этом совместно перемещают датчики и измеритель в вертикальном направлении с переменной скоростью. Фиксируют во времени отсчеты значений температур на выходах первого и второго датчиков. Одновременно с этим фиксируют вертикальные значения скоростей на выходе измерителя скорости собственных движений. Используя градуировочную зависимость скорости течения от коэффициента теплообмена датчиков со средой, вычисляют скорость горизонтального течения. Технический результат: повышение точности результатов.
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в гидрологии в переносных измерителях скорости течения в природных водах.
Известны термоанемометрические способы измерения скорости течения, в которых используется зависимость коэффициента теплообмена датчиков температуры со средой от скорости течения [1, 2].
Эти способы ограничены по точности из-за зависимости коэффициента теплообмена не только от скорости течения, но и от физических параметров воды (теплопроводности, теплоемкости, плотности и кинематической вязкости, изменяющихся от температуры и давления), режима течения (ламинарное или турбулентное) и состояния поверхности датчика.
Эти параметры практически невозможно учесть при градуировке и проконтролировать в процессе измерения скорости течения в природных водах.
В основу изобретения поставлена задача создания способа измерения скорости течения, совокупностью существенных признаков которого достигается новое свойство - возможность определения и использования текущей градуировочной характеристики термоанемометра непосредственно в среде и в процессе рабочих измерений, что обеспечивает технический результат изобретения - повышение точности измерений.
Эта задача решается тем, что термоанемометр со сферической диаграммой направленности или с другой известной симметричной в вертикальной плоскости диаграммой направленности, состоящий из двух идентичных по геометрическим размерам и разных по теплоемкости датчиков температуры, совместно с измерителем скорости собственных движений перемещают вертикально по глубине с переменной скоростью, фиксируют во времени t отсчеты текущей вертикальной скорости Vz(t), текущих температур θ1(t) первого и θ2(t) второго датчиков температуры и определяют скорость Vx горизонтального течения в случае сферической диаграммы направленности термоанемометра по формуле
где градуировочная характеристика термоанемометра по модулю вектора скорости V(t) в виде степенного полинома
α(t) - текущий коэффициент теплообмена датчиков температуры со средой, который определяют по известной формуле
где 
где m1, с1, S1 - соответственно теплоемкость и площадь поверхности теплообмена первого датчика температуры;
m2, с2, S2 - соответственно теплоемкость и площадь поверхности теплообмена второго датчика температуры;
bi - коэффициенты градуировочной характеристики термоанемометра, определяемые из системы уравнений
i=j+S, 
, 
, 
,
где bj bS - произведение двух коэффициентов bj и bS, сумма индексов j и S которых равна i;
m - число произведений;
ci, 
определяют из решения системы линейных алгебраических уравнений вида
,
Если термоанемометр имеет не сферическую, а другую известную симметричную диаграмму направленности вида ρ(φ) в вертикальной плоскости xoz, где 
, то нахождение величин сi производят за несколько итераций решения системы линейных алгебраических уравнений вида
,
,
где ρ(φr,t) - значение ρ(φ) после r-го определения Vxr в момент времени t;
l - число итераций, при котором значение Vx стабилизируется.
Общими существенными признаками для прототипа и заявленного способа являются использование термоанемометра с двумя датчиками температуры с одинаковыми конструктивными размерами и разными параметрами термической инерции, отсчет текущих значений температур датчиков и использование зависимости скорости от коэффициента теплообмена. Отличие состоит в процедурах вертикального перемещения термоанемометра совместно с измерителем вертикальной скорости, в определении коэффициентов градуировочной характеристики термоанемометра, аппроксимируемой полиномом любой степени, и в определении скорости горизонтального течения для сферической и несферической диаграммы направленности термоанемометра.
Сущность способа состоит в следующем.
Переносные измерители скорости Vx горизонтальных течений в реках и водоемах обычно опускаются на различные глубины для измерения скорости течений на заданных горизонтах. Если прибор устанавливается стационарно на подвеске к бую, то он подвержен колебаниям по глубине из-за перемещений буя на волне или в потоке. Если это колебательное движение, то скорость перемещения всегда переменна. Таким образом, измерители течения в процессе использования совершают движения, в том числе принудительные. Если скорость этих движений контролировать, то ее можно использовать для текущей градуировки термоанемометра в рабочей среде и в процессе рабочих измерений.
Наиболее просто осуществить и проконтролировать вертикальные перемещения прибора. Например, определение вертикальной скорости перемещений прибора можно осуществить, дифференцируя глубину нахождения прибора, измеряемую датчиком гидростатического давления или обратным эхолотом.
При использовании датчиков глубины и вертикальных ускорений вертикальную скорость можно определить, интегрируя вертикальное ускорение и привязывая нуль интегратора по датчику глубины, когда глубина не изменяется или меняет знак.
В предлагаемом способе измерение вертикальной скорости перемещения термоанемометра может выполняться любым известным методом, удобным для конкретного применения.
При скорости горизонтального течения Vx и вертикальной скорости прибора Vz(t) скорость обтекания термоанемометра потоком равна
.
При сферической диаграмме направленности ρ(x, y)=ρ(φ)=1 термоанемометр воспринимает скорость V(t) с весом единица независимо от значений Vx и Vz.
При несферической диаграмме направленности, симметричной относительно осей ох и oz в плоскости xoz, можно записать ρ(φ), где φ - угол вектора скорости V(t) в плоскости xoz.
Предполагается, что значение ρ(φ) известно из конструкции термоанемометра или из градуировки до рабочих измерений и остается постоянным.
Известно [1, 2], что для термоанемометра с двумя датчиками температуры, у которых внешние геометрические размеры одинаковы и теплоемкости различны,
,
где m - масса, c - удельная теплоемкость, S - площадь внешней поверхности теплообмена,
текущий коэффициент теплообмена α(t) определяется из решения системы уравнений теплового баланса для двух датчиков температуры
где 
;
θ1(t), θ2(t) - температура соответственно первого и второго датчиков, а 
и 
- производные этих температур, θc(t) - температура среды.
Далее предполагается, что градуировочная характеристика V=f(α) описывается с достаточной точностью полиномом степени n, т.е.
.
Для n=1
Предполагается, что на коротком интервале времени, достаточном для получения 2n+1 отсчетов разных вертикальных скоростей Vz(t) и температур датчиков θ1(t) и θ2(t) и вычисления производных 
и 
, коэффициенты bi градуировочной характеристики термоанемометра и скорость Vx течения постоянны.
Решают систему относительно с1, с2, с3 и c4 известным методом и определяют bi в последовательности
, 
, 
.
Определяют скорость Vx горизонтального течения для пяти моментов времени и осредняют по формуле
.
Для произвольного n
,
.
Обозначая произведение сi двух коэффициентов bj и bS градуировочной характеристики термоанемометра, сумма индексов j и S которых равна i, получают
i=j+S, 
,
где m - число произведений.
Обозначают 
.
Неизвестные ci, 
определяют из решения системы линейных алгебраических уравнений вида
,
.
Далее определяют коэффициенты
bi, 
.
Определяют скорость Vx горизонтального течения по формуле
,
.
Если диаграмма направленности термоанемометра не является сферической и в плоскости xoz описывается функцией ρ(φ), то вычисления Vx проводят в несколько итераций.
Первое вычисление выполняют при ρ(1), т.е. как изложено выше. Для второго приближения вычисляют ρ1(φ, t) при 
для (2n+1) моментов времени по известным Vz(t) и первому приближенному значению Vx.
Используя ρ1(φ, t), производят коррекцию квадратов значений вертикальной скорости 
умножением на 
.
При этом строки столбца свободных членов системы
будут иметь вид
,
.
Выполняют второе приближение, решая систему уравнений
относительно ci и далее - bi, и затем - Vx.
Выполняют итерации до получения устойчивого значения Vx.
Таким образом, для r-итерации строки столбца свободных членов системы уравнений будут иметь вид
,
, 
где l - число итераций.
Литература
1. Гайский В.А., Гайский П.В. Анализ способов измерения профиля скорости потока термопрофилемерами. «Системы контроля окружающей среды». Сб. научн. тр. / НАН Украины, МГИ: - Севастополь, 2001. - С.22.
2. Патент Украины №49049 на изобретение, МПК7 G01P 5/10, опубл. 16.09.2002, бюл. №9. «Способ определения скорости потока». Авторы: Гайский В.А. и Гайский П.В. (прототип).
Способ определения скорости течения, заключающийся в том, что используют термоанемометр, состоящий из двух датчиков температуры с одинаковыми конструктивными размерами и разными параметрами термической инерции, фиксируют во времени t отсчеты значений температур θ1(t) и θ2(t) на выходах соответственно первого и второго датчиков и с использованием градуировочной зависимости скорости течения от коэффициента теплообмена датчиков со средой вычисляют скорость течения, отличающийся тем, что используют термоанемометр или со сферической диаграммой направленности, или с другой известной симметричной в вертикальной плоскости диаграммой направленности, дополнительно используют измеритель скорости собственных движений и обеспечивают совместное перемещение датчиков и измерителя вертикально с переменной скоростью, например колебательно, при этом одновременно с отсчетом значений θ1(t) и θ2(t) фиксируют значения Vz(t) на выходе измерителя скорости собственных движений, и вычисляют скорость Vx горизонтального течения, причем в случае сферической диаграммы направленности термоанемометра скорость Vx вычисляют по формуле
,
где градуировочная характеристика термоанемометра по модулю вектора скорости V(t) выражена в виде степенного полинома
,
где α(t) - текущий коэффициент теплообмена датчиков температуры со средой, который вычисляют по формуле
где 
,
где m1 c1 S1 - соответственно теплоемкость и площадь поверхности теплообмена первого датчика температуры;
m2 c2 S2 - соответственно теплоемкость и площадь поверхности теплообмена второго датчика температуры;
bi - коэффициенты градуировочной характеристики термоанемометра, которые вычисляют из системы уравнений
i=j+S, 
где bj bS - произведение двух коэффициентов bj и bS, сумма индексов j и S которых равна i;
m - число произведений;
определяют из решения системы линейных алгебраических уравнений вида
,
а в случае использования термоанемометра с другой известной симметричной в вертикальной плоскости диаграммой направленности вида ρ(φ) вычисление скорости
Vx производят в несколько итераций, начиная с ρ(φ)=1 до получения устойчивого результата, вычисляя при каждой итерации значение
при
и заменяя строки столбца свободных членов приведенной системы линейных алгебраических уравнений для ci выражениями вида
,
,
где l - число итераций.
